材料的表面改性技术
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温度： 900-950℃
液体： 煤油， 甲醇丙酮等
渗剂： 气体： 煤气、 丙烷、 石油液化气
渗C浓度：0.15-0.2%→1% C
2）固体渗C法：
温度： 900-950℃ 渗剂：木碳+15-20% BaCO3或NaCO3
3）真空渗C与离子渗C
① 真空渗碳
温 度 ： 9201040℃ 渗剂：渗C气 特点：
渗速快2-3倍，渗C均 匀，适于深层渗C。
② 离子渗碳 基本原理
与离子氮化相似。Байду номын сангаас真空条件下，以工件为阴极，施以直 流电，产生辉光放电，碳离子轰击工件表面，将工件表面加 热并被表面吸收，然后向内扩散。
渗碳温度：900℃
需附加外加热源
渗碳机理
工作气：H2、Ar、CH4 辉光放电的等离子体中包括：
I. 离子轰击清洗表面。等离子体中的H2+ 由 于阴极电位降被加速，冲击到工件表面， 使表面的氧化物或附着物飞溅，达到清洗 的效果。实际的渗碳工艺中，在渗碳之前 导入Ar和H2的混合气，用 H2+ 和Ar+轰击 一段时间之后再导入CH4进行渗碳。
化学表面改性是通过原子扩散、化学反应等方法使被处处 理材料的表面成分、组织、形貌发生改变，从而使表面获 得到不同于基体材料性能的工艺方法。
6．2．1 钢材化学表面改性
1. 一般原理 2. 钢的渗碳 3. 钢的氮化 4. 碳氮共渗 1. 一般原理
钢材化学表面改性：一定温度下的活性介质中保温→介质 中的元素渗入工件表面→改变表层的化学成分和组织。
状碳化物。HRC 58-64
• 心部：低C马氏体。 HRC 30-50 • 特点：表层压应力
3. 钢的氮化
V. 氩离子的溅射效果。 Ar+冲击到钢的表 面上会使表面铁原子飞出，飞出的Fe与等 离子体中的C结合生成FeC，FeC由于钢的 触媒作用而被表面捕获，然后，碳原子向 内部扩散。
（3）渗C工艺 1) 渗C温度 2) 渗C时间：渗层厚度δ与温度T和渗C时间τ的关系
802 6 10 3720 T
球笼、轴类淬火设备
6．1．2 火焰加热淬火
热源：乙炔-氧、煤气-氧 工艺原理：图10-2 适用材料：中C钢（35、
45）、中碳合金钢（40Cr、 65Mn）、铸铁件。
淬硬层厚度：一般2-6
mm
适用范围：单件、小批量、
大型零件和局部淬火要求 的工件。如大型轴，大模 数齿轮。
工艺演示
6．2 化学表面改性 前面提到的表面淬火仅改善了其表层结构而强化，但对要 求更高的情况，需要化学改性。
特点：表层既有组织的变化，也有成分的变化。
化学表面改性分类：
渗 碳 渗 氮 碳 氮 共 渗 渗 硼 渗 硫 渗 金 属 多 元 共 渗
化学表面改性的基本过程：
1) 渗剂中的反应 2) 渗剂中的扩散（向工件扩
散及反应产物从介面逸出） 3) 相介面反应（吸附与解吸
反应） 4) 金属工件中的扩散 5) 金属中的反应
感应电流的特性： 集肤效应
原理演示
2. 感应加热的频率选用
产生的感应电流深度δ（mm）与交变电流的频率关系为
20 f
f ， 因此，选用不同的频率可达到不同要求的淬硬深度
通常，按照电流频率的不同，感应加热分为三类： 1) 高频加热, 100-500 KHz，一般常用200-300 KHz 2) 中频加热，500-10000 Hz，一般常用2500-8000
3）碳势
4）渗C用钢
4）渗C用钢 1) 低C钢 0.15-0.2% C （要求不高的渗C件） 2) 合金渗C钢
1.提 高 淬 透 性 ：C、Ni、Mn、B 2.抑 制A晶 粒 长 大 ：W、Mo、V、Ti
常用钢种：15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB、 18Cr2Ni4WA、20CrMnVBA.
表面淬火适用于钢的含碳量 0.4-0.5% 表面淬火按加热方式主要有： 1) 感应加热（高频、中频、工频）表面淬火 2) 火焰加热表面淬火 3) 激光、电子束、离子束加热表面淬火（三束）
6.1.1 感应加热表面淬火 6.1.2 火焰加热淬火
6．1．1 感应加热表面淬火 1. 加热基本原理 交变电流→交变磁场→涡流（感应电流）→生成热
2. 钢的渗碳
（1）渗C的目的
钢件在渗碳介质中加热保温后，活性碳原子渗入表面，增 加表层的含碳量,并形成一定碳浓度梯度。如使低碳 （Wc=0.15%～0.30%）钢件表面获得高碳浓度（Wc约 等于1.0%）。后续进行适当淬火回火处理，可得到高硬度、 耐磨性及疲劳强度的表面及良好的塑韧性心部性能。
（2）渗C方法 ➢ 气体渗C： ➢ 固体渗C法： ➢ 真空渗C与离子渗C 1）气体渗C：
（5）渗C后的热处理 渗C后，常用的热处理工艺有三种 1) 直接淬火 + 低温回火 见图10-7（P315）
2）一次淬火 + 低温回火 见图10-8
3）二次淬火 + 低温回火 见图10-9
第一次：对心部 > Ac3 第二次：对表层 > Ac1 （稍高些）
（6）渗C热处理后的组织性能
• 表层：回火马氏体 + 少量残余奥氏体 + 一定数量粒
II. 由于钢的触媒作用引起C的吸附。 与通常 的气体渗碳一样，热活化的C由于热能作 用而与钢的表面接触，通过钢的触媒作用 被吸附，然后向内部扩散。
III. 碳离子的吸附。C+由于阴极电位降被加速 冲到钢的表面后被吸附，然后向内部扩散。
IV. 碳离子的注入。 被加速的C+的一部分撞 入工件表面内部一定深度，造成晶格缺陷。
表面处理技术是决定产品质量的关键。材料表面工程技 术已发展成为极其重要的一门独立学科。
6.1 表面淬火 6.2 化学表面改性 6.3 三束表面改性 6.4 热喷涂
6.1 表面淬火 表面淬火
是指利用快速加热使钢在短时内达到淬火温度, 不等热量传 至中心即迅速冷却，仅使表层得到马氏体达到硬化的方法。
Hz 3) 工频加热, 50 Hz
各加热频率的适用范围
3.感应加热表面淬火的特点 1) 加热速度快，A转（变温1）度高 2) 隐晶马氏体 3) 不易氧化脱C，变形小 4) 淬层易控制，易实现机械化和自动化
HKVP50D一体化双工位小型曲轴淬火 机床
汽车转向器齿条专用淬火机床
HKVC350立式感应器扫描淬火机床
液体： 煤油， 甲醇丙酮等
渗剂： 气体： 煤气、 丙烷、 石油液化气
渗C浓度：0.15-0.2%→1% C
2）固体渗C法：
温度： 900-950℃ 渗剂：木碳+15-20% BaCO3或NaCO3
3）真空渗C与离子渗C
① 真空渗碳
温 度 ： 9201040℃ 渗剂：渗C气 特点：
渗速快2-3倍，渗C均 匀，适于深层渗C。
② 离子渗碳 基本原理
与离子氮化相似。Байду номын сангаас真空条件下，以工件为阴极，施以直 流电，产生辉光放电，碳离子轰击工件表面，将工件表面加 热并被表面吸收，然后向内扩散。
渗碳温度：900℃
需附加外加热源
渗碳机理
工作气：H2、Ar、CH4 辉光放电的等离子体中包括：
I. 离子轰击清洗表面。等离子体中的H2+ 由 于阴极电位降被加速，冲击到工件表面， 使表面的氧化物或附着物飞溅，达到清洗 的效果。实际的渗碳工艺中，在渗碳之前 导入Ar和H2的混合气，用 H2+ 和Ar+轰击 一段时间之后再导入CH4进行渗碳。
化学表面改性是通过原子扩散、化学反应等方法使被处处 理材料的表面成分、组织、形貌发生改变，从而使表面获 得到不同于基体材料性能的工艺方法。
6．2．1 钢材化学表面改性
1. 一般原理 2. 钢的渗碳 3. 钢的氮化 4. 碳氮共渗 1. 一般原理
钢材化学表面改性：一定温度下的活性介质中保温→介质 中的元素渗入工件表面→改变表层的化学成分和组织。
状碳化物。HRC 58-64
• 心部：低C马氏体。 HRC 30-50 • 特点：表层压应力
3. 钢的氮化
V. 氩离子的溅射效果。 Ar+冲击到钢的表 面上会使表面铁原子飞出，飞出的Fe与等 离子体中的C结合生成FeC，FeC由于钢的 触媒作用而被表面捕获，然后，碳原子向 内部扩散。
（3）渗C工艺 1) 渗C温度 2) 渗C时间：渗层厚度δ与温度T和渗C时间τ的关系
802 6 10 3720 T
球笼、轴类淬火设备
6．1．2 火焰加热淬火
热源：乙炔-氧、煤气-氧 工艺原理：图10-2 适用材料：中C钢（35、
45）、中碳合金钢（40Cr、 65Mn）、铸铁件。
淬硬层厚度：一般2-6
mm
适用范围：单件、小批量、
大型零件和局部淬火要求 的工件。如大型轴，大模 数齿轮。
工艺演示
6．2 化学表面改性 前面提到的表面淬火仅改善了其表层结构而强化，但对要 求更高的情况，需要化学改性。
特点：表层既有组织的变化，也有成分的变化。
化学表面改性分类：
渗 碳 渗 氮 碳 氮 共 渗 渗 硼 渗 硫 渗 金 属 多 元 共 渗
化学表面改性的基本过程：
1) 渗剂中的反应 2) 渗剂中的扩散（向工件扩
散及反应产物从介面逸出） 3) 相介面反应（吸附与解吸
反应） 4) 金属工件中的扩散 5) 金属中的反应
感应电流的特性： 集肤效应
原理演示
2. 感应加热的频率选用
产生的感应电流深度δ（mm）与交变电流的频率关系为
20 f
f ， 因此，选用不同的频率可达到不同要求的淬硬深度
通常，按照电流频率的不同，感应加热分为三类： 1) 高频加热, 100-500 KHz，一般常用200-300 KHz 2) 中频加热，500-10000 Hz，一般常用2500-8000
3）碳势
4）渗C用钢
4）渗C用钢 1) 低C钢 0.15-0.2% C （要求不高的渗C件） 2) 合金渗C钢
1.提 高 淬 透 性 ：C、Ni、Mn、B 2.抑 制A晶 粒 长 大 ：W、Mo、V、Ti
常用钢种：15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnVB、 18Cr2Ni4WA、20CrMnVBA.
表面淬火适用于钢的含碳量 0.4-0.5% 表面淬火按加热方式主要有： 1) 感应加热（高频、中频、工频）表面淬火 2) 火焰加热表面淬火 3) 激光、电子束、离子束加热表面淬火（三束）
6.1.1 感应加热表面淬火 6.1.2 火焰加热淬火
6．1．1 感应加热表面淬火 1. 加热基本原理 交变电流→交变磁场→涡流（感应电流）→生成热
2. 钢的渗碳
（1）渗C的目的
钢件在渗碳介质中加热保温后，活性碳原子渗入表面，增 加表层的含碳量,并形成一定碳浓度梯度。如使低碳 （Wc=0.15%～0.30%）钢件表面获得高碳浓度（Wc约 等于1.0%）。后续进行适当淬火回火处理，可得到高硬度、 耐磨性及疲劳强度的表面及良好的塑韧性心部性能。
（2）渗C方法 ➢ 气体渗C： ➢ 固体渗C法： ➢ 真空渗C与离子渗C 1）气体渗C：
（5）渗C后的热处理 渗C后，常用的热处理工艺有三种 1) 直接淬火 + 低温回火 见图10-7（P315）
2）一次淬火 + 低温回火 见图10-8
3）二次淬火 + 低温回火 见图10-9
第一次：对心部 > Ac3 第二次：对表层 > Ac1 （稍高些）
（6）渗C热处理后的组织性能
• 表层：回火马氏体 + 少量残余奥氏体 + 一定数量粒
II. 由于钢的触媒作用引起C的吸附。 与通常 的气体渗碳一样，热活化的C由于热能作 用而与钢的表面接触，通过钢的触媒作用 被吸附，然后向内部扩散。
III. 碳离子的吸附。C+由于阴极电位降被加速 冲到钢的表面后被吸附，然后向内部扩散。
IV. 碳离子的注入。 被加速的C+的一部分撞 入工件表面内部一定深度，造成晶格缺陷。
表面处理技术是决定产品质量的关键。材料表面工程技 术已发展成为极其重要的一门独立学科。
6.1 表面淬火 6.2 化学表面改性 6.3 三束表面改性 6.4 热喷涂
6.1 表面淬火 表面淬火
是指利用快速加热使钢在短时内达到淬火温度, 不等热量传 至中心即迅速冷却，仅使表层得到马氏体达到硬化的方法。
Hz 3) 工频加热, 50 Hz
各加热频率的适用范围
3.感应加热表面淬火的特点 1) 加热速度快，A转（变温1）度高 2) 隐晶马氏体 3) 不易氧化脱C，变形小 4) 淬层易控制，易实现机械化和自动化
HKVP50D一体化双工位小型曲轴淬火 机床
汽车转向器齿条专用淬火机床
HKVC350立式感应器扫描淬火机床